笠原成 理学研究科助教、綿重達哉 同大学院生（日本学術振興会特別研究員）、松田祐司 同教授、芝内孝禎 同客員教授（東京大学教授）らの研究グループは、花栗哲郎 理化学研究所チームリーダー、宇治進也 物質?材料研究機構ユニット長、ドイツ?カールスルーエ工科大学の研究者らと共同で、鉄を含んだ金属間化合物において「ボース?アインシュタイン凝縮に最も近い超伝導状態」が実現し、さらにこの物質が強磁場中で別の超伝導状態に移り変わることを発見しました。今回発見された新しい超伝導では、これまでに前例のない状態が実現されている可能性があり、今後、物質の示す新しい量子状態として研究が進むことが期待されます。
本研究成果は、米国科学誌「Proceeding of the National Academy of Sciences USA （PNAS）」のオンライン速報版に掲載される予定です。
研究者からのコメント
左から笠原助教、绵重大学院生
これまでボース?アインシュタイン凝缩に近いような超伝导?超流动は冷却原子でのみ実现されてきましたが、今回、これに最も近い状态を実在する超伝导物质で発见できたことは大変意义深いものと考えます。さらに、このような物质に强磁场をかけると未知の超伝导状态が现れることは、とても兴味深い现象です。今回の研究成果は物质の示す新しい量子状态の开拓につながることが期待できます。
ポイント
- 今まで冷却原子でのみ実现していたボース?アインシュタイン凝缩に最も近い超伝导状态が実在の物质で実现していることを示した。
- 强磁场中で未知の超伝导状态が现れることを発见
- 新しい量子状态の研究の舞台を提供
概要
金属中の伝导电子は、通常、数万度という高い运动エネルギーを持って飞び回っています。一方、超伝导は、二つの电子の间に引力が働き、电子のペアが形成されることによって生じます。通常の超伝导物质では、电子の运动エネルギーは、ペアを作ろうとするエネルギーよりも圧倒的に大きいことが知られています。逆に、电子がペアを作るエネルギーが强くなった极限では、强く束缚された分子状のペアが作られ、ペア同士は互いに弱く相互作用した状态で超流动や超伝导を起こすことが示唆されています。この现象は「ボース?アインシュタイン凝缩」と呼ばれています。この二つの中间状态では、ペアの大きさと电子の平均间隔が同程度になっています（左図）。この状态ではペア同士の相互作用が非常に强くなると考えられ、非自明な量子状态が実现される可能性があることから兴味が持たれています。しかし、これまでの実际の超伝导物质では、ボース?アインシュタイン凝缩に近いような状态は発见されておらず、また、そのような超伝导でどのようなことが起こるかも分かっていませんでした。
今回、研究チームは、鉄を含んだ金属间化合物贵别厂别の电子状态と超伝导状态を调べることに成功しました。その结果、电子の运动エネルギーとペアを形成するエネルギーがほぼ同じであり、この物质ではこれまでのどの物质よりもボース?アインシュタイン凝缩に近い超伝导が実现していることを発见しました。さらに研究チームは、このような异常な超伝导において、低温?强磁场中での性质を调べ、电子の运动エネルギーと、ペアを作ろうとするエネルギー、さらに磁场のエネルギーが同程度になることで、叁つのエネルギーの竞合が起こり、新しい超伝导状态が実现することを発见しました（右図）。
今回発见された超伝导状态は、これまでの物质で実现されたことのない量子状态であると考えられ、この状态を详细に调べることにより、新しい概念が得られると期待されます。
ボース?アインシュタイン凝缩に近い中间状态（左図）。电子ペアの大きさと各电子の平均间隔が同程度になる。このような特异な超伝导状态に强磁场をかけると、超伝导状态（础）から未知の超伝导状态（叠）へ移り変わる（右図）。
详しい研究内容について
书誌情报
[DOI]
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Shigeru Kasahara, Tatsuya Watashige, Tetsuo Hanaguri, Yuhki Kohsaka, Takuya Yamashita, Yusuke Shimoyama, Yuta Mizukami, Ryota Endo, Hiroaki Ikeda Kazushi Aoyama, Taichi Terashima, Shinya Uji, Thomas Wolf, Hilbert von L?hneysen, Takasada Shibauchi, and Yuji Matsuda
"Field-induced superconducting phase of FeSe in the BCS-BEC cross-over"
Proceeding of the National Academy of Sciences USA （PNAS）Early Edition November 3, 2014.
掲载情报
- 日刊工業新聞（11月4日 13面）および科学新聞（11月21日 1面）に掲載されました。
